一种水下航行器燃料电池混合推进系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种水下航行器燃料电池混合推进系统及控制方法，该系统包括质子交换膜燃料电池、主DC‑DC升压变换器、辅助DC‑DC升压变换器、锂电池组、水下推进电机及其逆变器；两个DC‑DC升压变换器同向并联组成双DC‑DC升压变换系统接入PEMFC和锂电池组之间，锂电池组输出端直接与水下推进电机的逆变器相连。双DC‑DC升压变换系统根据PEMFC的工作状态进行协同控制，并采用锂电池组荷电状态滞环控制实现PEMFC的工作状态切换；本发明专利技术通过对双DC‑DC升压变换系统的协同控制和锂电池组荷电状态滞环控制，实现燃料电池混合推进系统的高效率工作。

A fuel cell hybrid propulsion system and control method for underwater vehicle

【技术实现步骤摘要】
一种水下航行器燃料电池混合推进系统及控制方法
本专利技术属于水下航行器的动力推进系统领域，涉及一种水下航行器燃料电池混合推进系统及控制方法。
技术介绍
水下航行器是应用最为广泛的海洋探索设备，随着人们对海洋资源探索的不断深入，水下航行器相关技术的研发目前受到了全世界各国的重视。动力推进系统对水下航行器而言十分重要，水下航行器下潜深度、机动灵活性和续航时间等都受到动力推进系统的影响。与采用内燃机推进系统的水下航行器相比，采用燃料电池推进系统的水下机器人具有噪声小、能量转化效率高、更环保等诸多优点。尤其是质子交换膜燃料电池(PEMFC)，在具备高能量密度的同时，其工作温度可控制在60摄氏度以下，便于操作和使用安全，因此是水下航行器推进系统的一种理想能量源。然而，燃料电池的功率输出存在延迟响应，并且功率输出特性偏软，输出电压将随负载功率变化而不稳定。因此，通常将PEMFC与锂电池混合使用，提高燃料电池推进系统的功率输出特性和电压稳定性。PEMFC输出功率受工作温度的影响。在复杂的水下环境下，PEMFC最优输出功率将随水下温度的变化而变化。PEMFC的最优输出功率控制是典型的最大功率跟踪控制问题。通常情况下，可以采用一个DC-DC变换器跟踪PEMFC的最大功率输出。但是，一个DC-DC变换器只有一个峰值效率工作点，不能有效匹配PEMFC在水下不同温度条件下多个最优输出功率点。尤其是水下温度偏低时，PEMFC的最优输出功率将明显降低。另外在PEMFC待机时，即以最低输出功率模式工作时，采用一个大功率DC-DC变换器，将导致很低的直流转换效率。因此，如果仅采用一个大功率DC-DC变换器，在PEMFC大功率输出时，可以实现较高的直流转换效率，但在PEMFC小功率输出或者待机时，大功率DC-DC变换器将以较低的直流转换效率工作，最终导致整个燃料电池混合推进系统工作效率降低。
技术实现思路
为解决现有技术中燃料电池混合推进系统工作效率降低的问题，本专利技术提供一种水下航行器燃料电池混合推进系统及控制方法。该燃料电池混合推进系统可根据PEMFC的输出功率对主DC-DC升压变换器和辅助DC-DC升压变换器进行协同控制，并通过锂电池组荷电状态滞环控制实现PEMFC的工作状态切换，保证燃料电池混合推进系统的高效率工作。为实现上述功能，本专利技术的技术方案是：一种水下航行器燃料电池混合推进系统，其特征在于，包括质子交换膜燃料电池、主DC-DC升压变换器、辅助DC-DC升压变换器、锂电池组和水下推进电机；所述主DC-DC升压变换器和辅助DC-DC升压变换器同向并联后，作为双DC-DC升压变换系统接入质子交换膜燃料电池和锂电池组之间，使质子交换膜燃料电池与水下推进电机的逆变器隔离；所述锂电池组输出端直接与水下推进电机的逆变器相连。进一步，所述水下航行器燃料电池混合推进系统的控制方法，包括：双DC-DC升压变换系统的两个DC-DC升压变换器根据PEMFC的工作状态进行协同控制，并采用锂电池组荷电状态滞环控制实现PEMFC的工作状态切换；进一步，所述的PEMFC输出功率需要与双DC-DC升压变换系统的功率相匹配，其中PEMFC最低输出功率对应于辅助DC-DC升压变换器的峰值效率工作点，而PEMFC的峰值效率工作点对应于主DC-DC升压变换器峰值效率工作点与辅助DC-DC升压变换器的峰值效率工作点之和；进一步，在燃料电池混合推进系统工作时，所述质子交换膜燃料电池的工作状态次序随质子交换膜燃料电池输出功率增加依次增加，并且PEMFC根据输出功率的大小依次分为5种工作状态：在PEMFC启动时，工作状态为State＝0；在PEMFC以最低输出功率工作模式工作时，工作状态为State＝1；在PEMFC输出功率大于最低输出功率并且低于主DC-DC升压变换器峰值效率工作功率时，工作状态为State＝2；在PEMFC的输出功率大于主DC-DC升压变换器峰值效率工作功率且小于PMEFC峰值效率工作功率时，工作状态为State＝3；PMEFC以峰值效率工作模式工作时，工作状态为State＝4；进一步，根据PEMFC的工作状态，在State＝0时，仅采用辅助DC-DC升压变换器以恒压输出工作模式工作，主DC-DC升压变换器处于空闲模式；在State＝1时，辅助DC-DC升压变换器以峰值效率工作模式工作，主DC-DC升压变换器处于空闲模式；在State＝2时，仅采用主DC-DC升压变换器以恒压输出工作模式工作，辅助DC-DC升压变换器切换至空闲模式；当State＝3时，主DC-DC升压变换器以峰值效率工作模式工作，同时辅助DC-DC升压变换器以最大功率跟踪控制模式工作；当State＝4时，主DC-DC升压变换器和辅助DC-DC升压变换器均以峰值效率工作模式工作；进一步，采用锂电池组荷电状态滞环控制实现PEMFC的工作状态切换，锂电池组荷电状态的滞环控制区间为[0.8,0.9]，在锂电池组荷电状态高于区间上限值0.9时，强制使PEMFC以最低输出功率工作模式工作；在锂电池组荷电状态小于区间下限值0.8时，强制使PMEFC以峰值效率工作模式工作；当锂电池组荷电状态处于滞环控制区间时，PEMFC维持前一时刻工作状态；燃料电池混合推进系统工作时，必须在质子交换膜燃料电池启动后才能实施锂电池组荷电状态滞环控制。进一步，通过控制辅助DC-DC升压变换器的工作电流来改变PEMFC的输出功率，同时，通过采集PEMFC的输出电压和输出电流计算PEMFC的输出功率，根据PEMFC输出功率的增加或减少控制辅助DC-DC升压变换器工作电流的增加或减少；进一步，辅助DC-DC升压变换器最大功率跟踪控制等效为PEMFC最大输出功率跟踪控制：辅助DC-DC升压变换器需要根据相邻两次PEMFC输出功率之差进行调节，在当前时刻PEMFC输出功率采样值与前一时刻PEMFC输出功率采样值的差大于零时，增加辅助DC-DC升压变换器的工作电流使PEMFC输出电流增加；在当前时刻PEMFC输出功率采样值与前一时刻PEMFC输出功率采样值的差小于零时，减少辅助DC-DC升压变换器工作电流使PEMFC输出电流减少，最终实现PEMFC最大输出功率跟踪控制。相对于现有技术，本专利技术所产生的有益效果是：本专利技术针对水下航行器燃料电池混合推进系统，通过引入双DC-DC升压变换系统和相应的控制方法，克服了采用单一大功率DC-DC变换器不能有效匹配PEMFC在水下不同温度条件下多个最优输出功率点的缺陷，该燃料电池混合推进系统可根据PEMFC的输出功率对主DC-DC升压变换器和辅助DC-DC升压变换器进行协同控制，并通过锂电池组荷电状态滞环控制实现PEMFC的工作状态切换，保证燃料电池混合推进系统的高效率工作。在保证PEMFC高效率工作同时，也提高了相应的DC-DC升压变换系统的工作效率，最终将有效提高燃料电池混合推进系统的整体工作效率。本专利技术的控制方法，基于所述的系统，通过双DC-DC升压变换系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下航行器燃料电池混合推进系统，其特征在于，包括质子交换膜燃料电池、主DC-DC升压变换器、辅助DC-DC升压变换器、锂电池组和水下推进电机；/n所述主DC-DC升压变换器和辅助DC-DC升压变换器同向并联后，作为双DC-DC升压变换系统接入质子交换膜燃料电池和锂电池组之间，使质子交换膜燃料电池与水下推进电机的逆变器隔离；/n所述锂电池组输出端直接与水下推进电机的逆变器相连。/n

【技术特征摘要】
1.一种水下航行器燃料电池混合推进系统，其特征在于，包括质子交换膜燃料电池、主DC-DC升压变换器、辅助DC-DC升压变换器、锂电池组和水下推进电机；
所述主DC-DC升压变换器和辅助DC-DC升压变换器同向并联后，作为双DC-DC升压变换系统接入质子交换膜燃料电池和锂电池组之间，使质子交换膜燃料电池与水下推进电机的逆变器隔离；
所述锂电池组输出端直接与水下推进电机的逆变器相连。


2.权利要求1所述的水下航行器燃料电池混合推进系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
双DC-DC升压变换系统的主DC-DC升压变换器和辅助DC-DC升压变换器根据质子交换膜燃料电池的工作状态进行协同控制，并采用锂电池组荷电状态滞环控制实现质子交换膜燃料电池的工作状态切换。


3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池最低输出功率对应于辅助DC-DC升压变换器的峰值效率工作点，质子交换膜燃料电池的峰值效率工作点对应于主DC-DC升压变换器峰值效率工作点与辅助DC-DC升压变换器的峰值效率工作点之和。


4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池的工作状态次序随质子交换膜燃料电池输出功率增加依次增加：
在质子交换膜燃料电池启动时，工作状态为State＝0；
在质子交换膜燃料电池以最低输出功率工作模式工作时，工作状态为State＝1；
在质子交换膜燃料电池输出功率大于最低输出功率并且低于主DC-DC升压变换器峰值效率工作功率时，工作状态为State＝2；
在质子交换膜燃料电池的输出功率大于主DC-DC升压变换器峰值效率工作功率且小于质子交换膜燃料电池峰值效率工作功率时，工作状态为State＝3；
质子交换膜燃料电池以峰值效率工作模式工作时，工作状态为State＝4。


5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述的锂电池组荷电状态滞环控制具体是指：
锂电池组荷电状态的滞环控制区间为[0.8,0.9]，在锂电池组荷电状态高于区间上限值0.9时，强制使质子交...

【专利技术属性】
技术研发人员：王斌，王知雨，王朝晖，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61